控制器区域网络 CAN 总线协议图解

控制器区域网络（CAN，Controller Area Network）总线协议规范正式发布于 1986 年，由德国博世公司为解决汽车电子系统当中，复杂的线束问题而设计。1991 年发布的 CAN 2.0 A/B 规范的推出标志着其开启了标准化的进程。1993 年推出的 ISO 11898 标准进一步巩固了其国际规范地位。伴随汽车电子和工业控制增涨的通信需求，2012 年发布的 CAN FD 进一步提升了带宽与数据长度。而 2020 年发布的 CAN XL 则能够支持更大数据量的传输，从而适应未来的智能化场景。

CAN 总线协议发展至今日，已经以其 低成本、高实时性、高可靠性、优秀的抗干扰能力，成为当下使用极为广泛的标准化串行通信协议，被大面积运用于 工业控制、汽车电子、航空航天 等对于可靠性要求较高的领域。众所周知，理工类技术的最佳学习方式，往往需要基于最为直观的理解，而大量的示意图和表格正是化繁为简的利器。本文就将通过一系列丰富的图片与表格，来展示 CAN 总线协议的各个技术细节，以便让大家能够快速的理解这款倍受工程师欢迎的总线通信协议。

CAN 总线发展历程

控制器区域网络（CAN，Controller Area Network）是一款广泛应用于汽车和工业领域的现场总线协议，由德国博世 BOSCH 公司于 1983 年推出，用于解决汽车电子系统中复杂的线束连接问题，以实现各个电子控制单元（ECU，Electronic Control Unit）之间的可靠通信。

特性	CAN 1.0	CAN 2.0	CAN FD	CAN XL
标准	博世公司首先发布	ISO 11898-1:1993/2003	ISO 11898-1:2015	ISO 11898-1:2024
数据长度	8 字节	8 字节	64 字节	2048 字节
通信速率	1 Mbit/s	1 Mbit/s	2/5/8 Mbit/s	20 Mbit/s
标识符长度	11 位标准格式	11/29 位扩展格式	同 CAN 2.0	同 CAN 2.0
CRC 校验位	15 位	15 位	17/21 位	32 位

• CAN 灵活数据速率总线（CAN FD，Controller Area Network Flexible Data Rate）；
• CAN 扩展数据域长度总线（CAN XL，Controller Area Network Extended Data-field Length）；

注意：ISO 11898-1 国际标准定义了 CAN 规范的核心部分，即数据链路层（Data Link Layer）和物理层（Physical Layer）的相关标准。

ISO 11898 标准化规范

ISO 11898 是 ISO 国际标准化组织 针对 CAN 总线制定的一系列国际标准，该系列标准被划分为多个部分（通过最后的数字进行区分），分别对应于不同速率的 CAN 总线类型：

协议部分	协议名称	英文名称
ISO 11898-1	CAN 数据链路层	Data Link Layer
ISO 11898-2	高速 CAN	High-Speed CAN
ISO 11898-3	低速容错 CAN	Low-Speed Fault-Tolerant CAN
ISO 11898-4	时间触发 CAN	Time-Triggered CAN
ISO 11898-5	灵活数据速率 CAN	Flexible Data Rate
ISO 11898-6	扩展数据域长度 CAN	Extended Data-field Length

上面表格当中的 ISO 11898-1 主要定义了 CAN 总线的 数据链路层，也就是定义了数据在单个链路上如何进行传输，其主要解决了如下几个方面的问题：

• 如何将数据组装为数据块（该数据块就是帧，是数据链路层的基本传送单位）；
• 如何控制帧在物理信道上的传输（包括如何处理传输错误，如何调节发送速率）；
• 提供网络节点之间数据链路的管理（建立、维持、释放）。

注意：许多书籍和资料上提到的 ISO 11519-2 已经于 2006 年被 ISO 11898-3 整合并且取代，成为了新的低速容错 CAN 标准。

CAN 总线与 OSI 模型

开放系统互连模型（OSI，Open System Interconnect）由 ISO 国际标准化组织于 1985 年正式制订使用，主要定义了网络互连的七层架构（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），通常也被称作 OSI 参考模型：

CAN 总线规范 ISO 11898 与 OSI 模型的对应关系如下图所示，其中 ISO 11898-1 定义了 CAN 协议的数据链路层（Data Link），而 ISO 11898-2 则是定义了高速 CAN 总线的物理层（Physical）。简而言之，ISO 11898-1 是协议基础，而 ISO 11898-2 是物理层实现：

除此之外，数据链路层还被进一步划分为了媒介访问控制（MAC，Medium Access Control）和逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）两个子层。

CAN 总线的网络拓扑

如前所述，CAN 总线被划分为高速 CAN（定义于 ISO 11898-2 规范），以及低速容错 CAN（定义于 ISO 11519-2 以及后续的 ISO 11898-3 规范）两种类型，这种划分方式会体现在 CAN 收发器芯片的规格书当中，进行参数选型时需要格外关注这个参数（下图是 NXP 公司的经典 CAN 收发器芯片 TJA1050 的数据手册首页）：

高速 CAN 属于闭环总线网络，总线两端各连接一个 120 Ω 的电阻，并且通过信号线形成回路，适用于高速、短距离的通信，通信速率通常在 125Kbps ~ 1Mbps，其在 1 Mbps 通讯速率下，总线通信距离可以达到 40m 长度，其基本网络拓扑如下图所示：

低速容错 CAN 属于开环总线网络，两条信号线分别串联一个 2.2KΩ 电阻，然后独立连接到 CAN 总线的 CAN_High 与 CAN_Low 上面，并不会构成环路，适用于低速、远距离的通信。通信速率最高只能达到 125 Kbps，其在 40 Kbps 速率时，总线最长通信距离可以高达 1000m 长度：

CAN 总线上的数据采用 CANH（即上图中的 CAN_High）和 CANL（即上图中的 CAN_Low）两条信号线进行差分传输（后续会讨论采用差分信号传输的原因），然后通过两个信号之间的差值，来获取当前 CAN 总线网络上传输的有效电平值：

\[ V_{有效电平} = V_{CANH} - V_{CANL} \]

注意：有效电平为显性（Dominant [ˈdɒmɪnənt]）表示逻辑信号 0，有效电平为隐性（Recessive [rɪˈsesɪv]）表示逻辑信号 1。

根据 ISO11898-2 和 ISO11898-3 两款国际规范，差分信号线 CANH 与 CANL 上面传输的电平值，需要遵循下面表格当中定义的范围：

根据上面表格当中的数据，就可以获得不同 CAN 总线网络上面，隐性电平与显性电平的典型电压差值：

• 高速 CAN 总线：隐性电平（相当于逻辑 1）典型值为 \(V_{CANH} - V_{CANL} = 0V\) 表示，显性电平（相当于逻辑 0）典型值为 \(V_{CANH} - V_{CANL} = 2.0V\)。
• 低速容错 CAN 总线：隐性电平（相当于逻辑 1）典型值为 \(V_{CANH} - V_{CANL} = -1.5V\)，显性电平（相当于逻辑 0）典型值为 \(V_{CANH} - V_{CANL} = 3.0V\)。

注意：CAN 总线网络当中，只要一个节点输出显性电平，整个总线就会呈现出显性电平。只有当所有的节点都输出隐性电平的时候，总线才会呈现为隐性电平。

差分信号传输原理

下图所示的高速 CAN 总线网络，采用了阻抗为 120Ω 的闭环总线结构，两端分别连接有一枚 120Ω 的端接电阻（防止信号在 CAN 总线上出现反射），线材方面通常使用的是双绞线：

注意：通常情况下，CAN 总线上的设备节点都会连接到公共的地平面，从而具备有相等的接地电位。

CAN 总线之所以采用差分信号（Differential Signaling）进行传输，原因在于单端信号（Single-Ended Signaling）的连接方式容易受到电磁干扰，导致传输线路上出现尖峰电压，致使系统错误的将其判断为高电平 1，从而破坏传输信号的完整性。

例如上面的波形图当中，应当传输的正确信号为 00011000，由于受到尖峰电压的干扰，接收端实际读取到的信号变成了 01011011。而 CAN 总线采用 CANH 和 CANL 两个相位相反，幅值一致的差分信号来传输数据，并且从信号的电位差当中提取有效的电平数据：

\[ V_{有效电平} = V_{CANH} - V_{CANL} \]

例如对于使用 3.3V 电平信号的 CAN 总线，其数据使用显性和隐性两种状态进行传输（这些状态源自于 CANH 和 CANL 两条信号线之间的电位差）：

1. 显性状态（Dominant State）：表示逻辑信号 0，此时 CANH 和 CANL 之间的电位差约为 3.5V - 1.5V = 2V；
2. 隐性状态（Recessive State）：表示逻辑信号 1，此时 CANH 和 CANL 之间的电位差约为 2.5V - 2.5V = 0V；

CAN 总线差分信号传输方式的抗干扰能力，主要来源于 CANH 和 CANL 组成的双绞线，它们同时接收到的尖峰电压噪声幅值基本一致。而噪声幅值保持一致的两个信号，其电位差等效于没有受到噪声的干扰，具体可以参考下面的示意图：

CAN 总线节点的构成

通常情况下，MCU 微控制器只能产生数字信号，因而需要额外连接一片用于产生差分信号的 CAN 收发器，共同形成一个 CAN 总线节点：

CAN 总线属于异步半双工的通信协议，因而 CAN 收发器具备有 TXD（数据发送）和 RXD（数据接收）两个引脚，用于与 MCU 微控制器交换数据，并且将单端的 TXD/RXD 数字信号转换为差分的 CANH/CANL 信号：

CAN 收发器 芯片的额定工作电压通常为 5V，在与工作电压同样为 5V 的 MCU 微控制器协同工作的时候，双方都可以通过 5V 的 LDO 或者 DC-DC 电源进行供电，并且两者需要形成共地连接：

如果 MCU 微控制器的额定工作电压为 3.3V， 那么就必须分别采用两颗 3.3V 和 5V 的电源进行供电，并且两者依然需要形成共地连接关系：

CAN 控制器/收发器

上面已经简单介绍过一个CAN 总线节点通常是由 CAN 控制器（CAN Controller）和 CAN 收发器（CAN Transceive）共同构成的，接下来的内容会对两者的功能进行明确的定义，以避免大家在器件选型的时候出现混淆：

• CAN 控制器：负责 CAN 总线数据链路层的处理，其核心功能包括 报文的封装/解析（帧格式、ID、数据长度等）、错误检测（CRC 校验、帧校验等）、总线仲裁（管理多节点的优先级）、位定时控制（时序同步、位填充等）。
• CAN 收发器：负责在物理层将 CAN 控制器发出的逻辑电平 TX/RX 转换为差分信号 CAN_H/CAN_L，并且通常还具备有 避免共模干扰、进行电气隔离 的作用。

为了便于大家理解，在接下来的表格里，言简意赅的总结了 CAN 控制器和 CAN 收发器的区别：

特性	CAN 控制器芯片	CAN 收发器芯片
核心功能	协议处理	电平转换
接口方向	连接至主控芯片	连接至物理 CAN 总线（双绞线）
通信层级	数据链路层（OSI Layer 2）	物理层（OSI Layer 1）
典型芯片	MCP2515、SJA1000、MCU 片内外设	TJA1050、SN65HVD230

速率单位 MB/s 与 Mbps

兆字节每秒（MB/s，​Megabytes Per Second）和 兆比特每秒（Mbps 或 Mbit/s，​​Megabits Per Second​）都是用于衡量数据传输速率的单位：

• 1 MB/s 表示每秒传输 1 百万个字节 Bytes ​​ 的数据。
• 1 Mbps 表示每秒传输 1 百万个比特位 bits ​​ 的数据。

根据 1 Byte = 8 Bits，可以将 MB/s 与 Mbps 的换算关系联立为如下的推导公式：

\[ 1 Byte = 8 Bits \implies \begin{cases} 1 MB/s​ = 8 Mbps​ \\ ​​1 Mbps = 0.125 MB/s​​ \end{cases} \]

注意：大写的 B 通常用于表示字节 Byte，而小写的 b 则通常用来表示比特位 bit。

通信帧类型的划分

CAN 总线协议当中的帧类型，主要用于区分不同用途的数据传输格式。CAN 总线协议存在有 数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、帧间隔 五种帧（Frame）类型，其中 数据帧 和 遥控帧 拥有标准和扩展两种格式（标准格式拥有 11 位标识符，扩展格式拥有 29 位的标识符）：

1. 数据帧：用于 发送单元 向 接收单元 传送数据。
2. 远程帧：用于 接收单元 向具有相同标识符的 发送单元 请求数据。
3. 错误帧：用于在检测出 错误 的时候，向其它单元发送错误通知。
4. 过载帧：用于 接收单元 通知其尚未做好接收准备。
5. 帧间隔：用于分离 数据帧、遥控帧 与其它的帧。

CAN 总线协议当中的标识符，在许多英文资料的原文当中被称为 ID，也就是英文 Identifier 的缩写形式。在接下来的内容里，我们将会分门别类、图文并茂的介绍这五种帧类型。

注意：技术资料当中经常提到的报文是指通信总线上传输的完整信息单元，而帧则主要是指报文在物理层面上的传输格式。

帧类型 - 数据帧

CAN 总线网络里的数据帧（Data Frame），主要由如下图所示的 7 个信号片段所构成：

1. 帧起始段：表示数据帧开始的段。
2. 仲裁段：表示该数据帧优先级的段。
3. 控制段：表示数据的字节数以及保留位的段。
4. 数据段：数据携带的具体内容，可以发送 0~8 个字节的数据。
5. CRC 段：用于检查数据帧传输错误的段。
6. ACK 段：用于确认正常接收的段。
7. 帧结束段：表示数据帧结束的段

帧起始段

帧起始指的是帧最开始的一位，也被称为 SOF（Start of Frame）。帧起始默认为显性（逻辑 0），表示 CAN_H 和 CAN_L 上面存在电位差，CAN 总线上面一旦出现 SOF 就表明有报文出现。

CAN 总线上总是存在有 显性电平（逻辑 0）和 隐性电平（逻辑 1）两种信号：

• 显性状态（Dominant [ˈdɑːmɪnənt]）：相当于逻辑电平 0，即本文示例图片当中的英文标识 D；
• 隐性状态（Recessive [rɪˈsesɪv]）：相当于逻辑电平 1，即本文示例图片当中的英文标识 R；

注意：只要有一个节点输出显性电平，CAN 总线就会表现为显性电平。只有当所有节点都输出隐性电平，CAN 总线才会表现为隐性电平。

仲裁段

仲裁段用于判定帧的优先级，标准格式和扩展格式在仲裁段的构成有所不同。其中，标准格式拥有 11 位标识符，而扩展格式则拥有 29 位标识符（11位基本标识符 + 18位扩展标识符）：

• 标准格式仲裁段当中的远程传输请求位（RTR，Remote Transmission Request）：CAN 总线数据帧 仲裁段 的组成部分，主要用于区分数据帧和远程帧，其状态决定了当前帧是用于 发送数据 还是 请求数据。
• 扩展格式仲裁段当中的替代远程请求位（SRR，Substitute Remote Request）：主要用于兼容 标准帧 与 扩展帧 的仲裁机制，确保 扩展帧 不会错误的覆盖 标准帧，同时确保 CAN 总线的优先级机制。
• 扩展格式仲裁段当中的标识符扩展位（IDE，Identifier Extension）：用于区分标准帧和扩展帧，其在扩展帧当中固定取值为隐性（逻辑1），其值会影响到标识符 ID 的长度与仲裁的优先级。

注意：标准格式的 11 位标识符，以及扩展格式的 11 位基本标识符，都禁止仲裁段的高 7 位全部是隐性的逻辑 1，即禁止被设定为 ID = 1111111XXXX。

控制段

控制段用于表达数据段的字节长度，主要由 6 个位构成（其中 2 个保留位，4 个数据长度位），标准格式和扩展格式在控制段的构成也有所不同：

上图当中的保留位 r0 和 r1 两个位必须全部以显性电平（逻辑 0）发送。而数据长度码（DLC，Data Length Code）则由四个位构成（也就是 0 ~ 8 的四位二进制表示），其与数据段字节长度的对应关系如下面表格所示：

数据段长度	数据长度码第 3 位	数据长度码第 2 位	数据长度码第 1 位	数据长度码第 0 位
0 字节	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）
1 字节	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）	隐性 R（逻辑 1）
2 字节	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）	隐性 R（逻辑 1）	显性 D（逻辑 0）
3 字节	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）	隐性 R（逻辑 1）	隐性 R（逻辑 1）
4 字节	显性 D（逻辑 0）	隐性 R（逻辑 1）	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）
5 字节	显性 D（逻辑 0）	隐性 R（逻辑 1）	显性 D（逻辑 0）	隐性 R（逻辑 1）
6 字节	显性 D（逻辑 0）	隐性 R（逻辑 1）	隐性 R（逻辑 1）	显性 D（逻辑 0）
7 字节	显性 D（逻辑 0）	隐性 R（逻辑 1）	隐性 R（逻辑 1）	隐性 R（逻辑 1）
8 字节	隐性 R（逻辑 1）	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）	显性 D（逻辑 0）

注意：数据段的有效字节长度只有 0 ~ 8 个字节，但是接收节点并不会将 9 ~ 15 的值视为错误。

数据段

数据段可以存放 0 ~ 8 个字节的数据（长度由控制段中的数据长度码进行标识），数据传输时遵循高位优先的原则：

CRC 段

CRC 段主要是由 15 位的 CRC 计算值，和 1 位的 CRC 界定符构成：

CAN 总线引入了循环冗余校验（CRC，Cyclic Redundancy Check）来检测传输错误，即收发双方都会基于 帧起始、仲裁段、控制段、数据段 计算 CRC 值来检测数据传输错误。

ACK 段

ACK 段用来确认是否正常接收（通过 接收单元 发送，而 发送单元 无需发送），主要由 1 位的 ACK 槽（ACK Slot）和 1 位的 ACK 界定符（ACK Delimiter）共同组成：

ACK 是英文 Acknowledgment（应答信息）的缩写形式，顾名思义，主要是用于确认数据帧、遥控帧是否被至少一个 CAN 总线节点正确接收（并且不会出现 填充错误、格式错误、CRC 校验错误）。

帧结束段

帧结束段（EOF，End of Frame）用于标识 数据帧、遥控帧 的结束，从而确保 CAN 总线恢复到空闲状态，其值固定为 7 位 隐性位（逻辑 1），也就是连续的 7 个 1（也就是 1111111）：

帧类型 - 远程帧

远程帧（Remote Frame）用于在 CAN 总线网络当中请求数据，远程帧主要由如下 6 个信号片段组成（相比于前面介绍的数据帧，两者最大的区别在于远程帧没有数据段）:

1. 帧起始段：表示数据帧开始的段。
2. 仲裁段：表示该数据帧优先级的段。
3. 控制段：表示数据的字节数以及保留位的段。
4. CRC 段：用于检查数据帧传输错误的段。
5. ACK 段：用于确认正常接收的段。
6. 帧结束段：表示数据帧结束的段

对于远程帧与没有 数据段 的数据帧（可用于各节点之间的心跳连接，或者其 仲裁段 就携带着有效信息），可以通过远程帧当中的远程传输请求位 RTR 进行区分，远程帧的 RTR 位总是保持为隐性（逻辑 1）。除此之外，由于远程帧没有数据段，所以其控制段当中的 数据长度码 需要以其所请求的数据帧的 数据长度码 进行表示。

帧类型 - 错误帧

CAN 总线的错误帧（Error Frame）用于在检测到错误时通知其它节点，并且触发错误恢复机制。错误帧主要由错误标志（Error Flag）和错误界定符（Error Delimiter）两部分组成：

• 错误标志：包含主动错误标志（由 6 个显性位逻辑 0 组成）和被动错误标志（由 6 个隐性位逻辑 1 组成）两种类型（具体取决于节点的错误状态属于主动还是被动）。
• 错误界定符：由 8 个隐性位逻辑 1 组成，用于标识该错误帧结束。

帧类型 - 过载帧

过载帧（Overload Frame）是 CAN 总线协议当中，用于处理节点接收过载（无法及时处理数据）的一种机制，过载帧由 过载标志（Overload Flag）和 过载界定符（Overload Delimiter）两部分组成：

• 过载标志：用于标识当前节点出现过载，由 6 个显性位逻辑 0 组成。
• 过载界定符：用于标识过载标志的结束，由 8 个隐性位逻辑 1 组成。

注意：过载帧的结构与错误帧类似，但是各自的触发条件与用途不同。

帧类型 - 帧间隔

帧间隔（Inter Frame Space）用于分隔 数据帧 和 远程帧，即将本帧与前面的其它帧分隔开来（过载帧和错误帧前面，不能插入帧间隔），从而确保前一帧完全结束（此时可以认为总线空闲）。帧间隔由 3 个隐性位（逻辑 1）组成，也就是 111，通常位于帧结束段（EOF）之后：

优先级仲裁机制

当 CAN 总线网络空闲的时候，最先发送消息的节点优先级更高。当多个节点同时发送数据的时候，每个节点的发送单元会从仲裁段的第 1 位开始逐位进行仲裁，连续输出显性电平（逻辑 0）最多的节点，所发送的数据具有更高的优先级：

注意：CAN 总线的这种优先级仲裁机制被称作非破坏性逐位仲裁（Bitwise Arbitration），确保优先级高的报文会优先发送，而优先级低的报文自动延迟发送。

数据帧 & 遥控帧

具有相同 ID 的数据帧和远程帧在竞争总线优先级时，仲裁段最后的远程传输请求位 RTR 为显性（逻辑 0）的数据帧具有更高的优先权，其仲裁过程如下面示意图所示：

标准格式 & 扩展格式

当 CAN 总线当中，标准格式和扩展格式前 11 位的 ID 标识符相同时，其优先级将会通过逐位仲裁机制进行比较，此时仲裁段当中的以下数据会参与到优先级的仲裁：

数据段	标准帧（11 位标识符）	扩展帧（29 位标识符）
前 11 位	完整 ID（只有 11 位）	扩展帧前 11 位（与标准帧相同）
SRR 位	无，等效为显性（逻辑 0）	固定隐性（逻辑 1，替代 RTR 位）
IDE 位	无，等效为显性（逻辑 0）	固定隐性（逻辑 1，标识扩展帧）

参考上面的这张示意图，可以将 CAN 总线的优先级仲裁流程总结成下面的三个步骤：

1. 比较 11 位标识符：如果前 11 位不同，ID 值更小的帧优先级更高（显性 0 优先于隐性 1）。如果前 11 位相同，继续比较后续控制位（SRR 和 IDE）。
2. 比较替代远程请求位 SRR（仅扩展帧）：标准帧没有显式的 SRR 位，默认被隐式的等效为显性电平（逻辑 0），而 扩展帧的 SRR 位固定为隐性电平（逻辑 1）。由于标准帧显性电平（逻辑 0）的优先级高于扩展帧的隐性电平（逻辑 1），因而相比较而言，标准帧的优先级会更高。
3. 比较标识符扩展位 IDE：标准帧同样没有显式的 IDE 位，同样被默认等效为显性电平（逻辑 0），而 扩展帧的 IDE 位固定为隐性电平（逻辑 1），所以标准帧的优先级依然更高。

位填充机制

CAN 总线的位填充（Bit Stuffing）机制是在连续 5 个相同电平位之后，自动插入 1 个反向的电平位。该机制主要用于同步 CAN 总线的时钟和进行错误检测，从而确保数据传输的可靠性。

CAN 收发器的发送单元与接收单元，它们各自的位填充机制分别如下面列表所示：

• 发送单元在发送数据帧和远程帧时，对于 SOF ~ CRC 位之间的数据，相同电平如果持续 5 位，就会在第 6 位插入一位与前 5 位反向的电平。
• 接收单元在接收数据帧和远程帧时，对于 SOF ~ CRC 位之间的数据，相同电平如果持续 5 位，就需要删除第 6 位之后再进行接收。如果第 6 位的电平值与前 5 位相同，那么就会被视为位填充错误，并且触发错误帧的发送。

错误处理机制

CAN 总线上的错误可以划分为 位错误、填充错误、CRC 错误、格式错误、ACK 错误 一共五种类型，这些错误的种类、内容、发生帧、检测单元，已经被分门别类的整理到下面的表格当中：

注意：上述表格当中的这些错误，即可能单独发生，也可能同时发生。

接下来的列表里，说明了 位错误、格式错误 以及 填充错误 之间，一些容易混淆的触发原因：

• 当仲裁段输出隐性电平，但是检测出显性电平时，将会被视为仲裁失利，而非是位错误。
• 在仲裁段作为填充位输出隐性电平时，但检测出显性电平时，将不会被视为位错误，而是填充错误。
• 发送单元在 ACK 段输出隐性电平，但检测到显性电平时，将会被判断为其它单元的 ACK 应答，而非位错误。
• 当错误帧输出由 6 个隐性位（逻辑 1）组成的被动错误标志，但是检测到其中一位是显性位（逻辑 0）的时候，这种情况下 CAN 总线将会等待检测出 6 个显性或者隐性的连续相同位，并不会被视为位错误。
• 当接收单元检测出 EOF 帧结束段（由 7 个隐性位组成）的时候，如果接收到的第 8 位为显性电平，这种情况不会被视为格式错误。
• 当接收单元检测到 DLC 数据长度码（长度仅 0 ~ 8 个字节）出现 9∼15 的值时，也不会被视为格式错误。

当 CAN 总线当中检测到上述的错误时，就会开始在错误帧当中输出 错误标志（Error Flag）：

• 主动错误标志：由处于主动错误状态的 CAN 总线节点输出；
• 被动错误标志：由处于被动错误状态的 CAN 总线节点输出；

当 CAN 总线节点的错误帧发送完毕之后，就会再次发送数据帧或者远程帧。不同错误类型的输出时序（也就是输出的时机）会有所区别，具体如下面列表所示：

• 位错误、填充错误、格式错误、ACK 错误：从检测到错误之后的下一位开始，就会输出错误标志。
• CRC 错误：从 ACK 段 的 ACK 界定符 之后的下一位，开始输出错误标志。

数据位的构成

位速率（Bit Rate）和波特率（Baud Rate）都是表达信号传输速率的单位，它们各自的定义分别如下所示：

• 位速率：表示的是每一秒钟所能够传输的二进制位的数量，也被称作比特率，例如 8bit/s 表示的就是 1 秒时间传输了 8 个位。
• 波特率：表示每一种钟所能够传输的码元数量（即脉冲个数或者信号变化次数），这里的码元可以是多进制的，既可以携带 1bit 的数据（此时就等效于比特率），也可以携带 2bit 甚至 4bit 的数据。

CAN 总线的传输速率采用比特位 bit 来进行描述，其中传输的每一个比特位都会被划分为 SS、PTS、PBS1、PBS2 四个段，每个段又会由若干个时间量子（Tq, Time Quantum）构成（这里的 Tq 就是 CAN 总线时序的最基本单位）：

• 同步段（SS，Sync Segment）：CAN 总线上 1 个位的输出是从同步段开始的，如果信号的跳变沿位于同步段范围以内，就表示该节点与 CAN 总线的时序同步，此时采样点的电平状态就会被采纳，同步段的大小固定为 1Tq。
• 传播段（PTS，Propagation Segment）：用于补偿信号在 CAN 总线网络传播的物理延迟，包括 发送节点的输出延迟、CAN 总线信号的传播延迟、接收节点的输入延迟，该段的时间为各个延迟时间之和的两倍，该段长度可以被配置为 1Tq ~ 8Tq。
• 相位缓冲段 1（PBS1，Phase Buffer Segment 1）：用于补偿信号边沿阶段产生的误差，其时间长度可以延长，但是不能缩短，该段长度可以配置为 1Tq ~ 8Tq（CAN 总线电平的采样点位于该段的结束位置）。
• 相位缓冲段 2（PBS2，Phase Buffer Segment 2）：同样用于补偿信号边沿阶段带来的误差，其时间长度可以缩短，但是不能延长，该段长度可以配置为 2Tq ~ 8Tq。

CAN 总线上 1 个比特位的组成除了上述四个段之外，还存在着一个再同步补偿宽度（SJW，Synchronization Jump Width）的概念，其主要用于补偿 时钟频率、传送延迟 等带来的误差，通常取值在 1Tq ~ 4Tq 范围。

位时序同步机制

CAN 总线上的每一个节点，都拥有着自己的本地时钟，由于硬件差异和传输延迟的存在，这个时钟可能存在微小偏差。CAN 总线通过位同步（Bit Synchronization）机制来确保所有节点，都能够正确的识别数据位的起始和结束，避免由于时钟偏差导致的通信错误：

• 调整接收节点的采样点，使其尽可能接近发送节点的最佳采样位置。
• 补偿时钟频率偏差，确保长时间通信不会因为累积误差导致采样错误。

注意：CAN 总线采用非归零码（NRZ，Non Return to Zero）方式进行数字信号的编码，即恒定使用高低电平来表示逻辑 0 和 1，电平信号不会在每一个位之后归零，而是保持当前电平状态，直至下一个位的开始。

CAN 总线上传输的每一个比特位 bit 的开头或者结尾都没有附加同步信号，发送节点以与位时序同步的方式发送数据，接收节点根据总线上电平的变化同步进行接收。但是发送节点与接收节点存在的时钟频率误差，以及传输路径上的相位延迟，都会引发位时序同步出现偏差，因而接收节点会通过硬件同步或者再同步的方法调整接收时序：

硬同步（Hard Synchronization）发生在帧起始 SOF 位置，用于对齐 CAN 总线节点之间的位时间（强制接收节点的位时间计数器重新从 0 开始，也就是与发送节点帧起始位置的下降沿对齐）。

再同步（Resynchronization）发生在数据帧的接收过程，用于微调接收节点的位时间，当检测到从 隐性 到 显性 电平的跳变时就会触发（排除帧起始位置）。即每当检测出跳变沿时，就会根据再同步补偿宽度 SJW 的值，通过延长相位缓冲段 1 PBS1 段，或者缩短相位缓冲段 2 PBS2 段，达到与位时序同步的目的（如果发生超出再同步补偿宽度 SJW 值的误差，那么其最大调整量不能超过 SJW 的取值）。

概而言之，我们可以将上述 CAN 总线的位同步机制概括为下面三个步骤：

1. 检测从 隐性 到 显性 的电平边沿跳变；
2. 计算相位误差，如果跳变发生在同步段 SS 之外，就说明当前存在着误差；
3. 通过相位缓冲段 1 PBS1 或相位缓冲段 2 PBS2 调整误差，如果跳变发生在 PBS1 区域，那么延长 PBS1；如果跳变发生在 PBS2 区域，那么缩短 PBS2（延长和缩短的值都不得超过再同步补偿宽度 SJW）。